Tugas Perhitungan Neraca Massa & Panas Continuous Smelting

1Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021

TugasPerhitungan Neraca Massa & PanasContinuous Smelting – Converting

2Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021

Filter cake

Steam

Steam

Dry

concentrate

Flux

Enriched air

Off gas

Clean gas to stack

Dilution

Slag+

Matte

Matte

C-S

lag

Discard SlagH2SO4

Enriched air Off gas

Blister Copper

CaCO3

Other

gasses

Copper Anodes

Air (D-S)

CH4 (Reduction)

CH4 (burners)Air (burners)

Ga

s fro

m D

-S

Steam

dryerMitsubishi

S-Furnace

W.H.B

and ESP

W.H.B

and ESP

Mitsubishi

CL-Furnace

Mitsubishi

C-Furnace

Steam

drying

Slag

Granulation

Acid Plant

(double abs.)

Anode

Furnace (3)

Anode scrapCoolant

Fokus

perhitungan

Teknologi Mitsubishi Process


Contoh perhitungan neraca massa

• Diberikan basis desain sebuah PABRIK PELEBURAN

TEMBAGA dengan teknologi MITSUBISHI PROCESS sebagai

berikut:

• Umpan pabrik : 702.576 TDO/y

• Plant operational availability : 340 day/y

8.160 h/y (93,2%)

• Umpan pabrik per jam : 86,1 TDO/h

• CuFeS2/[CuFeS2+FeS2] di konsentrat : 1,0

• Kandungan SiO2 di konsentrat : 8,27% berat

• Kandungan CaO di konsentrat : 1,18% berat

• Kandungan Al2O3 di konsentrat : 2,41% berat


Kriteria (Basis) Desain

• S-FURNACE:

• Target Matte Grade : 65%

• Target Fe/SiO2 di slag : 1,04

• Bahan imbuh : 100% SiO2

• Penambahan bahan bakar : 10 kg/t kons

• Asumsi bahan bakar : 100% C

• Penambahan C-slag : 11,9 t/h

• Kandungan Cu di C-slag : 13,25% berat

• Kandungan Fe di C-slag : 43,47% berat

• Kehilangan panas : 200 MJ/t kons

• Temp. Matte / Slag / Off-gas : 1230 / 1270 / 1250oC

• CL-FURNACE:

• Kehilangan panas : 200 MJ/t slag


Kriteria (Basis) Desain

• C-FURNACE:

• Target S di Blister : 0,90

• Target Fe/CaO di slag : 1,89

• Bahan imbuh : 100% CaCO3

• Penambahan Anode scrap : 3,8 t/h

• Komposisi Anode scrap : 99,2% Cu; 0,4% S ; 0,4% O

• Penambahan coolant : 3,5 t/h

• Komposisi coolant : 80,0% Cu; 5,0% Fe ; 15,0% O

• Kehilangan panas : 500 MJ/t matte

• Temp. Blister / Slag / Off-gas : 1220 / 1240 / 1250oC

• BLAST: merupakan gabungan udara dan gas oksigen

• Komposisi udara : 23,3%brt O2 + 76,7%brt N2

• Komposisi oksigen : 100% O2

Hitung neraca massa dan panas Mitsubishi process tersebut!!


Perhitungan Neraca Massa

1. Terdapat 3 jenis unit proses utama, yaitu smeltingfurnace, slag-cleaning furnace dan convertingfurnace.

2. Terdapat berbagai jenis stream material, yaituconcentrate, fluxes, blasts, slags, off-gases, matte,blister, coolant dan anode scrap.

3. Berikan nomer stream material pada pictorialflowsheet yang telah dibuat.

4. Kumpulkan semua data pada satu worksheet yangsama atau worksheet yang terpisah denganpictorial flowsheet proses.

5. Lakukan perhitungan berdasarkan basis desain yangtelah ditetapkan.


1. Concentrate → diberi notasi S01

S = smelting furnace, 01 = stream number

2. Flux (SiO2) → diberi notasi S02

3. Fuel (C) → diberi notasi S03

4. C-Slag → diberi notasi S04

5. Udara → diberi notasi S05

6. Oksigen → diberi notasi S06

Stream Material Masuk S-Furnace


1. Gas buang → diberi notasi S07

2. S-Slag + Matte → diberi notasi S08

Material Keluar S-Furnace

Material Masuk & Keluar CL-Furnace

1. S-Slag + Matte → dari stream S08

2. CL-Slag → diberi notasi CL01

CL = slag-cleaning furnace, 01 = stream number

3. Matte → diberi notasi CL02

Stream Material Keluar S-Furnace & CL-Furnace


1. Matte → dari stream CL02

2. Flux (CaCO3) → diberi notasi C01

C = converting furnace, 01 = stream number

3. Udara → diberi notasi C02

4. Oksigen → diberi notasi C03

5. Anode scrap → diberi notasi C04

6. Coolant → diberi notasi C05

1. Gas buang → diberi notasi C06

2. Slag → diberi notasi C07

3. Blister Cu → diberi notasi C08

Stream Material Masuk & Keluar C-FurnaceMaterial Masuk C-Furnace

Material Keluar C-Furnace


Material Streams of S-Furnace, CL-Furnace & C-Furnace

Dry concentrate

Flux

Air

Off gas

Slag + Matte

MatteC

-Sla

gDiscard Slag

Off gas

Blister Copper

CaCO3

Mitsubishi

S-Furnace

Mitsubishi

CL-Furnace

Mitsubishi

C-FurnaceAnode scrap

Coolant

S01

S02

S03

OxygenS07

S08

CL01

CL02

C01

C04

C05

C07

C06

C08

S04

Fuel

S05

S06

Air

Oxygen

C02

C03


Neraca Massa S-Furnace

CuFeS2(s) + ??O2(g) + wSiO2(s) →

0.5Cu2S–xFeS(l) + (1–x)"FeO"–wSiO2(l) + ??SO2(g)

Concentrate Blast Flux

Matte Slag Gas

Reaksi utama (disederhanakan):

298 K

Mitsubishi

S-Furnace

S01

S02

S03

S04

Concentrate:wt conc. = 86,1t/h

wCuFeS2/(wCuFeS2 +wFeS2) = 1,0

SiO2 in conc. = 8,27%brt.

CaO in conc. = 1,18%brt.

Al2O3 in conc. = 2,41%brt.298 K

298 K

298 K

Flux:SiO2 in flux = 100%brt.

Fuel:wtFuel = 10,6 kg/t conc.

C in fuel = 100%brt.

C-Slag:wtC-Slag = 11,9t/h

Cu in C-Slag = 13,25%brt.

Fe in C-Slag = 43,47%brt.

S05+S06

298 KBlast:

1) Air: O2 = 23,3%brt; N2 = 76,7%brt.

2) Oxygen: O2 = 100%brt.

Mitsubishi

CL-Furnace

1523 K

S07

1543 K

CL01

1503 K

CL02

S08

Off-Gas

Heat Loss: 200 MJ/t conc.

Slag:Fe/SiO2 = 1,04

Matte:M.Grade = 65%

Heat Loss: 200 MJ/t slag



1. Diasumsikan komponen matte terdiri dari: Cu2Sdan FeS.

2. Diasumsikan komponen dominan gas-buang terdiridari: O2, N2, SO2 dan CO2.

3. Diasumsikan komponen c-slag terdiri dari: Fe2O3,CaO dan Cu2O.

4. Diasumsikan komponen cl-slag terdiri dari:Fe2SiO4*, Ca2SiO4*, SiO2, Al2O3, dan Cu2O.

* Komponen silikat dipertimbangkan untuk mendekatientalpi pembentukan larutan slag silikat



1. Neraca massa Cu2. Neraca massa Fe3. Neraca massa S4. Neraca massa O5. Neraca massa C6. Neraca massa SiO2

7. Neraca massa CaO8. Neraca massa Al2O3

9. Matte Grade

10. Fe/SiO2 in slag11. Cu in slag12. Berat mineral sulfida

dalam konsentrat13. CuFeS2 dalam

konsentrat14. Berat fuel15. Berat C-Slag16. Jumlah N2 dalam blast

Beberapa persamaan berkaitan denganneraca massa yang harus dihitung:


Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace

• Neraca massa Cu:

Cu in = Cu out

Cu(concentrate) + Cu(c-slag) = CuCu2S (matte) + CuCu2O (cl-slag)

Cu(concentrate) = wCuFeS2 x MCu/MCuFeS2 = 0,346 wCuFeS2

Cu(c-slag) = wc-slag x %Cuc-slag = 11,9 x 13,5% = 1,576

CuCu2S (matte) = wCu2S x 2MCu/MCu2S = 0,799 wCu2S

CuCu2O (cl-slag) = wCu2O x 2MCu/MCu2O = 0,888 wCu2O

Sehingga

-0,346 wCuFeS2 + 0,799 wCu2S + 0,888 wCu2O = 1,576 t/h (Eq.1)



• Neraca massa Fe:

Fe in = Fe out

Fe(concentrate) + Fe(c-slag) = FeFeS (matte) + FeFe2SiO4 (cl-slag)

Fe(concentrate) = wCuFeS2 x MFe/MCuFeS2 + wFeS2 x MFe/MFeS2

= 0,304 wCuFeS2 + 0,466 wFeS2

Fe(c-slag) = wc-slag x %Fec-slag = 11,9 x 43,47% = 5,172

FeFeS (matte) = wFeS x MFe/MFeS = 0,635 wFeS

FeFe2SiO4 (cl-slag) = wFe2SiO4 x 2MFe/MFe2SiO4 = 0,548 wFe2SiO4

Sehingga

-0,304 wCuFeS2 - 0,466 wFeS2 + 0,635 wFeS + 0,548 wFe2SiO4 = 5,172 t/h (Eq.2)



• Neraca massa S:

S in = S out

S(concentrate) = SCu2S (matte) + SFeS (matte) + SSO2 (off-gas)

S(concentrate) = wCuFeS2 x 2MS/MCuFeS2 + wFeS2 x 2MS/MFeS2

= 0,349 wCuFeS2 + 0,535 wFeS2

SCu2S (matte) = wCu2S x MS/MCu2S = 0,202 wCu2S

SFeS (matte) = wFeS x MS/MFeS = 0,365 wFeS

SSO2 (off-gas) = wSO2 x MS/MSO2 = 0,501 wSO2

Sehingga

-0,349 wCuFeS2 - 0,535 wFeS2 + 0,202 wCu2S + 0,365 wFeS + 0,501 wSO2

= 0 (Eq.3)



• Neraca massa O:

O in = O out

O(blast) + O(c-slag) = OFe2SiO4 (cl-slag) + OCu2O (slag) + OSO2 (off-gas) + OCO2 (off-gas)

O(blast) = wO2 (blast)

O(c-slag) = wc-slag x [%Cu x 0,25MO2/MCu + %Fe x 0,75MO2/MFe] = 2,421

OFe2SiO4 (cl-slag) = wFe2SiO4 x MO2/MFe2SiO4* = 0,157 wFe2SiO4

*only O2 that is involved in Fe oxidation, SiO2 does not take O2

OCu2O (cl-slag) = wCu2O x 0,5MO2/MCu2O = 0,112 wCu2O

OSO2 (off-gas) = wSO2 x MO2/MSO2 = 0,500 wSO2

OCO2 (off-gas) = wCO2 x MO2/MCO2 = 0,727 wCO2

Sehingga

-0,349 wO2 (blast) + 0,157 wFe2SiO4 + 0,112 wCu2O + 0,500 wSO2 + 0,727 wCO2

= 2,421 t/h (Eq.4)



• Neraca massa C:

C in = C out

C(fuel) = CCO2 (off-gas)

C(fuel) = wFuel x %C(fuel) = 1 wfuel

CCO2 (off-gas) = wCO2 x MC/MCO2 = 0,273 wCO2

Sehingga

-wfuel + 0,273 wCO2 = 0 (Eq.5)



• Neraca massa SiO2:

SiO2 in = SiO2 out

SiO2(concentrate) + SiO2(flux) =

SiO2-Fe2SiO4(cl-slag) + SiO2-Ca2SiO4(cl-slag) + SiO2-SiO2(cl-slag)

SiO2(concentrate) = wconc x %SiO2(concentrate) = 7,120

SiO2(flux) = wflux x %SiO2(flux) = 1 wflux

SiO2-Fe2SiO4(cl-slag) = wFe2SiO4 x MSiO2/MFe2SiO4 = 0,295 wFe2SiO4

SiO2-Ca2SiO4(cl-slag) = wCa2SiO4 x MSiO2/MCa2SiO4 = 0,349 wCa2SiO4

SiO2-SiO2(cl-slag) = wSiO2(cl-slag)

Sehingga

-wflux + 0,295 wFe2SiO4 + 0,349 wCa2SiO4 + wSiO2(cl-slag) = 7,120 t/h (Eq.6)



• Neraca massa CaO:

CaO in = CaO out

CaO(concentrate) = CaOCa2SiO4 (cl-slag)

CaO(concentrate) = wconc x %CaO(concentrate) = 1,016

CaOCa2SiO4(cl-slag) = wCa2SiO4 x MCaO/MCa2SiO4 = 0,651 wCa2SiO4

Sehingga

0,651 wCa2SiO4 = 1,016 t/h (Eq.7)



• Neraca massa Al2O3:

Al2O3 in = Al2O3 out

Al2O3(concentrate) = Al2O3-Al2O3 (cl-slag)

Al2O3(concentrate) = wconc x %Al2O3(concentrate) = 2,075

Al2O3-Al2O3(cl-slag) = wAl2O3(cl-slag)

Sehingga

wAl2O3(cl-slag) = 2,075 t/h (Eq.8)



• Matte Grade:

Matte Grade = 100 x wCu2S x 2MCu/MCu2S / [wCu2S+ wFeS]

Matte Grade [wCu2S+ wFeS] = 100 x wCu2S x 2MCu/MCu2S

0,65 [wCu2S+ wFeS] = 0,7985 wCu2S

Sehingga

0,65 wFeS - 0,149 wCu2S = 0 (Eq.9)

• Fe/SiO2 in slag:

Fe/SiO2 = [wFe2SiO4(cl-slag) x 2MFe/MFe2SiO4]

÷ [wFe2SiO4(cl-slag) x MSiO2/MFe2SiO4 + wCa2SiO4(cl-slag) x MSiO2/MCa2SiO4 + wSiO2(cl-slag)]

[0,584 wFe2SiO4(cl-slag)] = [0,295 wFe2SiO4(cl-slag) + 0,349 wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)] x Fe/SiO2

Sehingga

0,241 wFe2SiO4(cl-slag) – 0,363 wCa2SiO4(cl-slag) – 1,040 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.10)



• Cu in slag:

Cu in slag = wCu2O(cl-slag) x 2MCu/MCu2O

÷ [wCu2O(cl-slag) + wFe2SiO4(cl-slag) + wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)]

= 0,888 wCu2O(cl-slag) ÷ [wCu2O(cl-slag) + wFe2SiO4(cl-slag) + wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)]

Cu in slag = ??

Cu in slag = 0,0005(Matte-Grade2) – 0,0208(Matte-Grade) = 0,0005(652) – 0,0208(65) = 0,76%

0,0076 = 0,888 wCu2O(cl-slag) ÷ [wCu2O(cl-slag) + wFe2SiO4(cl-slag) + wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)]

0,880 wCu2O(cl-slag) - 0,0076 wFe2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wCa2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.11)



• Berat Mineral Sulfida dalam

Konsentrat:

wsulfide-conc = wCuFeS2 + wFeS2

Sehingga

wCuFeS2 + wFeS2 = 75,889 t/h (Eq.12)

• CuFeS2 dalam Konsentrat:

wCuFeS2 / [wCuFeS2 + wFeS2] = 1

Sehingga

wFeS2 = 0 t/h (Eq.13)

• Berat C-Slag:

wc-slag = 11,900 t/h (Eq.14)

• Berat Fuel:

wfuel = 10,6 kg/t kons x wconc = 0,913

t/h (Eq.15)

• Jumlah N2 dalam blast:

wN2 (blast) = Jumlah nitrogen

ditentukan oleh neraca panas

(Eq.16)


Rincian Perhitungan Neraca Massa S-FurnaceTanpa mempertimbangkan N2, terdapat 15 variabel yang diperlukan (wCuFeS2, wFeS2, wCu2S, wFeS, wCu2O, wFe2SiO4, wCa2SiO4, wSiO2(cl-slag), wAl2O3(cl-slag), wSO2, wO2, wCO2, wfuel, wflux, wc-slag).

Dan terdapat 16 persamaan:

• -0,346 wCuFeS2 + 0,799 wCu2S + 0,888 wCu2O = 1,576 t/h (Eq.1)

• -0,304 wCuFeS2 - 0,466 wFeS2 + 0,635 wFeS + 0,548 wFe2SiO4 = 5,172 t/h (Eq.2)

• -0,349 wCuFeS2 - 0,535 wFeS2 + 0,202 wCu2S + 0,365 wFeS + 0,501 wSO2 = 0 (Eq.3)

• -0,349 wO2 (blast) + 0,157 wFe2SiO4 + 0,112 wCu2O + 0,500 wSO2 + 0,727 wCO2 = 2,421 t/h (Eq.4)

• -wfuel + 0,273 wCO2 = 0 (Eq.5)

• -wflux + 0,295 wFe2SiO4 + 0,349 wCa2SiO4 + wSiO2(cl-slag) = 7,120 t/h (Eq.6)

• 0,651 wCa2SiO4 = 1,016 t/h (Eq.7)

• wAl2O3(cl-slag) = 2,075 t/h (Eq.8)

• 0,65 wFeS - 0,149 wCu2S = 0 (Eq.9)

• 0,241 wFe2SiO4(cl-slag) – 0,363 wCa2SiO4(cl-slag) – 1,040 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.10)

• 0,880 wCu2O(cl-slag) - 0,0076 wFe2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wCa2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.11)

• wCuFeS2 + wFeS2 = 75,889 t/h (Eq.12)

• wFeS2 = 0 t/h (Eq.13)

• wc-slag = 11,900 t/h (Eq.14)

• wfuel = 10,6 kg/t kons x wconc = 0,861 t/h (Eq.15)

Sehingga persamaan dapat dipecahkan !!



Nilai 15 variabel:

• wCuFeS2 = 75,889 t/h

• wFeS2 = 0,000 t/h

• wCu2S = 34,327 t/h

• wFeS = 7,842 t/h

• wCu2O(cl-slag) = 0,502 t/h

• wFe2SiO4(cl-slag) = 42,479 t/h

• wCa2SiO4(cl-slag) = 5,753 t/h

• wSiO2(cl-slag) = 7,853 t/h

• wAl2O3(cl-slag) = 2,075 t/h

• wSO2(offgas) = 33,443 t/h

• wCO2(offgas) = 3,154 t/h

• wO2(blast) = 23,303 t/h

• wfuel = 0,861 t/h

• wflux = 15,267 t/h

• wc-slag = 11,900 t/h

Nilai 8 stream:

• S01 = wconcentrate = 86,10 t/h

• S02 = wflux = 15,27 t/h

• S03 = wfuel = 0,86 t/h

• S04 = wc-slag = 11,90 t/h

• S05 + S06 = wblast = 23,30 t/h + N2

• S07 = woff-gas = 36,60 t/h + N2

• CL01 = wcl-slag = 58,66 t/h

• CL02 = wmatte = 42,17 t/h



• Cara memecahkan persamaan dengan menggunakan

matriks:

Misal terdapat 3 persamaan dengan 3 variabel:

2x + 3y – 2z = 8

x – 4z = 1

2x – y – 6z = 4

x = 5, y = 0 and z =1

2 3 −21 0 −42 −1 −6

∙𝑥𝑦𝑧

=814

coefficient

matrix

variable

matrix

constant

matrixSolusi

2 3 −21 0 −42 −1 −6

−1

∙814

=0,333 −1,667 10,167 0,667 −0,50,083 −0,667 0,25

∙814

=501



• Memecahkan persamaan dengan menggunakan matriks pada excel:

wCuFeS2 wFeS2 wC-Slag wFlux wFuel wO2 wN2 wCu2S wFeS wFe2SiO4 wSiO2 wCa2SiO4 wAl2O3 wCu2O wSO2 wCO2 wH2O Num

Cu -0.35 0 0 0 0 0 0 0.80 0 0 0 0 0 0.89 0 0 0 1.58 wCuFeS2 75.89Fe -0.30 -0.47 0 0 0 0 0 0 0.64 0.55 0 0 0 0 0 0 0 5.17 wFeS2 0.00S -0.35 -0.53 0 0 0 0 0 0.20 0.36 0 0 0 0 0 0.50 0 0 0 wC-slag 11.90O 0 0 0 0 0 -1.00 0 0 0 0.16 0 0 0 0.11 0.50 0.73 0.89 2.42 wFlux 15.27C 0 0 0 0 -1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.27 0 0 Wfuel 0.91H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.11 0.00 wO2 23.44

SiO2 0 0 0 -1.00 0 0 0 0 0 0.29 1.00 0.35 0 0 0 0 0 7.12 wN2 0.00CaO 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.65 0 0 0 0 0 4.80 wCu2S 34.33

Al2O3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 0 0 0 0 1.02 wFeS 7.84Wcons 1.00 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 75.89 wFe2SiO4 42.48

Conc. Prop 0.00 -1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 wSiO2 7.29Matte Grade 0 0 0 0 0 0 0 0.15 -0.65 0 0 0 0 0 0 0 0 0 wCa2SiO4 7.38

C-Slag 0 0 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11.90 wAl2O3 1.02Fe/SiO2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.24 -1.04 -0.36 0 0 0 0 0 0 wCu2O 0.50

Cu in Slag 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 0.88 0 0 0 0 wSO2 33.44Oil/Cons 0 0 0 0 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.91 wCO2 3.35Guess N2 0 0 0 0 0 0 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00 wH2O 0.00

Solutions

coefficient matrix constant matrix

Solusi = MMULT(MINVERSE(##:##),##:##)

coefficient matrix constant matrix


Rangkuman Neraca Massa S-Furnace

298 K

Mitsubishi

S-Furnace

S01

S02

S03

S04

Concentrate: 86,10 t/h88,1%CuFeS2 + 0%FeS2 + 8,3%SiO2 +

1,2%CaO + 2,4%Al2O3

298 K

298 K

298 K

Flux: 15,27 t/h100%SiO2

Fuel 0,86 t/h:100%C

C-Slag: 11,90 t/h14,9%Cu2O + 62,1%Fe2O3 + 22,9%CaO

S05+S06

298 KBlast: 23,30 t/h + N2

??%O2 + ??%N2

Mitsubishi

CL-Furnace

1523 K

S07

1543 K

CL01

1503 K

CL02

S08

Off-gas: 36,60 t/h + N2??%SO2 + ??%CO2 + ??%N2


Slag: 58,66 t/h0,86%Cu2O +

72,4%Fe2SiO4 +

9,8%Ca2SiO4 +

13,4%SiO2 + 3,5%Al2O3

Matte: 42,17 t/h81,4%Cu2S + 18,6%FeS



Neraca Panas S-Furnace

Neraca panas secara umum terdiri dari beberapakomponen, yaitu:

1. Sensible heat input (panas dari material yangdimasukkan ke dalam furnace) – ΔHin

2. Heat of Reaction (panas dari reaksi yangterjadi di dalam furnace) – ΔHrx

3. Sensible heat output (panas dari materialyang dihasilkan dari furnace) – ΔHout

4. Heat Loss (Jumlah panas yang hilang kelingkungan)



Persamaan neraca panas:

Heat Balance = 0 = ΔHin + ΔHrx + ΔHout + Heat loss

Input 1

Input 2, 3, 4

Output 1, 2,

3

298 K

473 K

1550 K

∆𝑯𝒐𝒖𝒕= 𝟐𝟗𝟖𝑲𝟏𝟓𝟓𝟎𝑲

𝑪𝒑−𝒐𝒖𝒕 𝟏 𝒅𝑻

𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟓𝟎𝑲

𝑪𝒑−𝒐𝒖𝒕 𝟐 𝒅𝑻

𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟓𝟎𝑲

𝑪𝒑−𝒐𝒖𝒕 𝟑 𝒅𝑻∆𝑯𝒊𝒏= 𝟒𝟕𝟑𝑲𝟐𝟗𝟖𝑲

𝑪𝒑−𝒊𝒏 𝟏 𝒅𝑻

∆𝑯𝒓𝒙=∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐩𝐫𝐨𝐝𝐮𝐤 − ∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐫𝐞𝐚𝐤𝐭𝐚𝐧

−𝑯𝒆𝒂𝒕 𝑳𝒐𝒔𝒔


Data termodinamika berikut dapat digunakan untuk perhitunganneraca panas:

Perhitungan sensible heat 𝟐𝟗𝟖𝑲𝑻

𝑪𝒑 𝒅𝑻 digantikan dengan persamaanyang lebih sederhana HT-H298 (tidak memerlukan integrasi Cp).


THERMODYNAMIC DATA HT-H298 = A*T + B*T^2 + C*T^-1 + D*T^0.5 + E*T^3 + F

Component MWΔfH298 ΔfH298 T (K) A B C D E F

kJ/mol MJ/t Range J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol

O2 32.00 0.00 0 298-3000: 53.75227 -0.00194 -612446 -1042.28 2.71E-07 4192.368

N2 28.01 0.00 0 298-3000: 38.16728 0.001646 -507331 -541.1 -2.3E-07 -476.976

SO2 64.06 -296.81 -4633 298-3000: 93.87096 -0.00446 -712782 -2053.55 4.15E-07 10246.62

CO2 44.01 -393.51 -8941 298-5000: 91.43128 -0.00225 -803232 -2140.86 1.39E-07 12598.02

H2O(g) 18.02 -241.81 -13423 298-3000: 19.79116 0.010379 -64948.2 247.0234 -1.1E-06 -10840.7

Cu2S(s"l) 159.16 -79.50 -499 1403-1700 83.680 0 0 0 0 -11341

FeS(s"l) 87.91 -99.62 -1133 1473-1700 62.760 0 0 0 0 17092

Fe2SiO4(s"l) 203.78 -1479.36 -7260 1491-1700 240.600 0 0 0 0 -49321

Ca2SiO4(s"l) 172.24 -2317.94 -13458 2403-2800*: 209.2 0 0 0 0 -9016.52

Al2O3(s"l) 101.96 -1675.69 -16435 2327-4000: 192.464 0 0 0 0 -81554.5

SiO2(s"l) 60.08 -910.94 -15161 1997-2500 85.772 0 0 0 0 -41977

Cu2O(s"l) 143.09 -170.71 -1193 1518-1700 99.759 0 0 0 0 10870

CuFeS2(s) 183.53 -173.22 -944 830-1500 2439.079 -1.15714 -2.2E+07 -69057.8 0.000383 630788.2

FeS2(s) 119.98 -171.54 -1430 78.218 -0.00482 1296438 0 5.11E-06 -27375.9

Fuel (C) 12.00 0.00 0

CaO(s"l) 56.08 -635.09 -11325 3200-4000*: 50.74355 0.001841 870272 0 0 -18213

Fe2O3 159.69 -824.25 -5161 298-1800: 242.6427 -0.05895 1948238 -3142.94 3.45E-05 -20284

Cu(s''l) 63.55 8.08 127 298-5000: 32.6352 0 0 0 0 -9731.98

Fe(s''l) 55.85 2.81 50 298-5000: 46.024 0 0 0 0 -13723.5

S(s''l) 32.07 0.00 0 298-5000: 14.24024 0.001561 213760.6 121.4239 -1.4E-07 -7194.39

O(s''l) 16.00 249.17 15574 298-2100: 21.10284 -0.00018 -75956.3 0 3.31E-08 -6020.78

CaCO3(s''l) 100.09 -1207.54 -12065 298-1200: 99.73401 0.013447 2158944 0 0 -38170.6

Sumber: http://www.thermart.net/freed-thermodynamic-database/


Rincian Perhitungan Neraca Panas S-Furnace



298 K

1543 K

1523 K

1503 K

∆𝑯𝒓𝒙=∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐩𝐫𝐨𝐝𝐮𝐤 − ∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐫𝐞𝐚𝐤𝐭𝐚𝐧

−𝑯𝒆𝒂𝒕 𝑳𝒐𝒔𝒔T=298K

Konsentrat = wCuFeS2+wFeS2+wSiO2+wCaO+wAl2O3

Fluks = wSiO2

C-Slag = wCu2O+wFe2O3+wCaO

Fuel = wC

Blast = wO2+wN2

T=1543K

CL-Slag = wCu2O+wFe2SiO4+

wCa2SiO4+wSiO2+wAl2O3

T=1523K

Offgas = wN2+wSO2+wCO2

T=1503K

Matte = wCu2S+wFeS2

T=298K

Offgas = wN2+wSO2+wCO2

CL-Slag = wCu2O+wFe2SiO4+wCa2SiO4+wSiO2

+wAl2O3

Matte = wCu2S+wFeS2

∆𝑯𝒐𝒖𝒕 = 𝟐𝟗𝟖𝑲𝟏𝟓𝟎𝟑𝑲

𝑪𝒑−𝒎𝒂𝒕𝒕𝒆 𝒅𝑻

𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟒𝟑𝑲

𝑪𝒑−𝒔𝒍𝒂𝒈 𝒅𝑻

𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟐𝟑𝑲

𝑪𝒑−𝒐𝒇𝒇𝒈𝒂𝒔 𝒅𝑻∆𝑯𝒊𝒏= 𝟎

1. Sensible heat input (panas darimaterial yang dimasukkan kedalam furnace) – ΔHin = 0, karenamaterial diumpankan pada 298 K.


2. Heat of Reaction (panas yang dihasilkan dari reaksi yangterjadi di dalam furnace) – ΔHrx

ΔHrx = ΔHf,298 PRODUK – ΔHf,298 REAKTAN = -220882 MJ/h


INPUT KomponenWeight ΔfH298 ΔfH298 OUTPUT Komponen

Weight ΔfH298 ΔfH298

t/h MJ/t MJ/h t/h MJ/t MJ/h

Konsentrat

CuFeS2(s) 75,899 -944 -71649Off-gas

N2 y 0 0FeS2(s) 0,000 -1430 0 SO2 33,443 -4633 -154941

SiO2(s"l) 7,120 -15161 -107946 CO2 3,154 -8941 -29908CaO(s"l) 1,016 -11325 -54417

Slag

Cu2O(s"l) 0,502 -1193 -599Al2O3(s"l) 2,075 -16435 -16698 Fe2SiO4(s"l) 42,479 -7260 -308398

Fluks SiO2(s"l) 15,267 -15161 -231463 Ca2SiO4(s"l) 5,753 -13458 -99320

C-SlagCu2O(s"l) 1,775 -1193 -2118 Al2O3(s"l) 2,075 -16435 -16698

Fe2O3 7,395 -5161 -38166 SiO2(s"l) 7,853 -15161 -110463CaO(s"l) 2,729 -11325 -30906

MatteCu2S(s"l) 34,327 -499 -17129

Fuel Fuel (C) 0,861 0 0 FeS(s"l) 7,842 -1133 -8885

BlastO2 23,303 0 0 ΔHf,298 PRODUK =-748738N2 y 0 0

ΔHf,298 REAKTAN =-527856



3. Heat of Reaction (panas dari reaksi yang terjadi didalam furnace) – ΔHout

ΔHout = 1399 y + 166760 MJ/h

Output ComponentWeight

(t/h)MW

T

(K)

HT-H298 = A*T + B*T^2 + C*T^-1 + D*T^0.5 + E*T^3 + FHT-H298

(MJ/h)A B C D E F

J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol

Off-gas

N2 y 28.01 1523 38.16728 0.001646 -507331 -541.1 -2.3E-07 -476.976 1399y

SO2 33,443 64.06 1523 93.87096 -0.00446 -712782 -2053.55 4.15E-07 10246.62 33261

CO2 3,154 44.01 1523 91.43128 -0.00225 -803232 -2140.86 1.39E-07 12598.02 4518

Slag

Cu2O(s"l) 0,502 143.09 1543 99.759 0 0 0 0 10870 578

Fe2SiO4(s"l) 42,479 203.78 1543 240.600 0 0 0 0 -49321 67108

Ca2SiO4(s"l) 5,753 172.24 1543 209.2 0 0 0 0 -9016.52 10480

Al2O3(s"l) 2,075 101.96 1543 192.464 0 0 0 0 -81554.5 4384

SiO2(s"l) 7,853 60.08 1543 85.772 0 0 0 0 -41977 11811

MatteCu2S(s"l) 34,327 159.16 1503 83.680 0 0 0 0 -11341 24680

FeS(s"l) 7,842 87.91 1503 62.760 0 0 0 0 17092 9939



Heat loss = 200 MJ/t conc x 86,1 t/h

= 17220 MJ/h

Sehingga persamaan neraca panas menjadi:


= 0 + -220882 + 1399 y + 166760 + 17220 MJ/h

1399 y = 36902

y = 26,3774

Sehingga off-gas menjadi:

= 26,38 t/h N2 + 33,44 t/h SO2 + 3,15 t/h CO2

= 41,9 %brt. N2 + 53,1 %brt. SO2 + 5,0 %brt. CO2



Sehingga blast menjadi:

= 26,38 t/h N2 + 23,30 t/h O2

= 53,1 %brt. N2 + 46,9 %brt. O2

%O2 enrichment dalam blast:

= 100 x 46,9/MO2 / [46,9/MO2 + 53,1/MN2]

= 43,6%


Rincian Perhitungan Neraca Panas CL-Furnace



• CL-Furnace berfungsi untuk memperoleh pemisahan yangbaik antara slag dan matte

• Diasumsikan tidak ada reaksi di dalam CL-Furnacesehingga ΔHrx = 0

• Heat loss = 200 MJ/t slag x 58,7 t/h

= 11740 MJ/h

• Kehilangan panas ini diimbangi dengan suplai energilistrik.

• Energi listrik yang dibutuhkan = 200 MJ/t slag ÷ 3600 s

= 55,6 kWh/t slag


Rangkuman Neraca Massa S-Furnace & CL-Furnace

298 K

Mitsubishi

S-Furnace

S01

S02

S03

S04

Concentrate: 86,10 t/h88,1%CuFeS2 + 0%FeS2 + 8,3%SiO2 +

1,2%CaO + 2,4%Al2O3

298 K

298 K

298 K

Flux: 15,27 t/h100%SiO2

Fuel 0,86 t/h:100%C

C-Slag: 11,90 t/h14,9%Cu2O + 62,1%Fe2O3 + 22,9%CaO

S05+S06

298 KBlast: 49,68 t/h + N2

46,9%O2 + 53,1%N2

Mitsubishi

CL-Furnace

1523 K

S07

1543 K

CL01

1503 K

CL02

S08

Off-gas: 62,97 t/h + N253,1%SO2 + 5,0%CO2 + 41,9%N2


Slag: 58,66 t/h0,86%Cu2O +

72,4%Fe2SiO4 +

9,8%Ca2SiO4 +

13,4%SiO2 + 3,5%Al2O3

Matte: 42,17 t/h81,4%Cu2S + 18,6%FeS


Heat Input: 55,6 kWh/t slag


Perbandingan Neraca Massa S-Furnace

Perbandingan hasil perhitungan neraca massa dengan neracamassa actual beberapa pabrik Mitsubishi Process:

Description Unit This Model Naoshima Kidd Gresik Onsan

Conc. feedrate t/h 86.1 85.0 58.5 86.1 74.9

Cu in conc. %wt. 30.5 31.4 28.2 31.0 29.0

Silica feedrate t/h 15.3 11.1 15.0 12.9 13.0

Limestone feedrate t/h 0 0.9 0.0 0.2 1.7

Return C-slag t/h 11.9 7.3 4.5 10.5 8.4

Coal feedrate t/h 0.9 3.0 0 3.0 1.9

Matte production rate t/h 42.2 42.8 24.2 46.2 37.6

Matte grade %wt. 65.0 68.1 68.5 65.0 65.0

CL-slag production t/h 58.7 47.0 40.4 50.1 48.6

Blowing conditions

Total Nm3/h 37,405 34,100 31,500 39,200 34,700

O2 enrichment %vol. 43.6 50.7 41.0 48.0 50.0

Furnace off-gas

Gas volume DNm3/h 573 540 460 600 530

SO2 at boiler inlet %vol. 34.0 27.1 31.1 30.1 33.4


Kondisi Termodinamika Cu Smelting & Converting

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

50.050.551.051.552.052.553.053.554.054.555.055.556.056.557.057.558.058.559.059.560.060.561.061.562.062.563.063.564.064.565.065.566.066.567.067.568.068.569.069.570.070.571.071.572.072.573.073.574.074.575.075.576.076.577.077.578.078.579.079.580.0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-1.3 -0.8 -0.3

Log PO2=~8

Log PO2=~6


Diagram Fasa untuk CL-Slag

Target Fe/SiO2

sebesar 1,04 memastikan slag dalam keadaanleleh dan juga menentukansifat-sifat slag lainnya.

-0.01

0.09

0.19

0.29

0.39

0.49

0.59

0.69

0.79

0.00 0.50 1.00

Smelting Slag

Liquid


Neraca Massa C-Furnace

Cu2S–xFeS(l) + ??O2(g) + zCaCO3(s) →

(2–2y)Cu(l) + yCu2O–zCaO–0.5x"Fe2O3"(l) + ??SO2(g) + zCO2(g)

Matte Blast Flux

Blister Slag Gas

Reaksi utama (disederhanakan):

1503 K

Mitsubishi

C-Furnace

CL02

C01

C04

C05

298 K

298 K

298 K

Flux:CaCO3 in flux = 100%brt.

Anode Scrap:wtAnode Scrap = 3,8 t/h

Comp. = 99,2% Cu; 0,4% S ; 0,4% O

Coolant:wtCoolant = 3,5 t/h

Comp. = 80,0% Cu; 5,0% Fe ; 15,0% O

C02+C03

298 KBlast:

1) Air: O2 = 23,3%brt; N2 = 76,7%brt.

2) Oxygen: O2 = 100%brt.

C06

C07

1523 K

1513 K

1493 KBlister:S in blister = 0.90%brt.

Matte:M.Grade = 65%

C08

Slag:Fe/SiO2 = 1,89

Heat Loss: 500 MJ/t matte

Off-Gas


Relasi Termodinamika untuk C-Slag

y = -0.9642x - 5.7589

y = 0.3888x + 3.4256

-1.300

-0.800

-0.300

0.200

0.700

1.200

1.700

-6.5 -6.0 -5.5 -5.0

y = 0.0762x-0.526

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.00 0.50

Target S pada blister sebesar 0,9% dapat digunakan untukmemprediksi Cu pada C-slag dan O pada blister.


Diagram Fasa untuk C-Slag

Target Fe/CaOsebesar 1,89 memastikan slag dalam keadaanleleh dan juga menentukan sifat-sifat slag lainnya.

-0.01

0.09

0.19

0.29

0.39

0.49

0.59

0.69

0.79

0.00 0.50 1.00

Converting SlagLiquid


Pelajari model untuk converting furnace pada

spreadsheet dan berikan rincian perhitungan

massa dan panas untuk converting furnace

tersebut !!

Tugas (Dikumpulkan 2 November 2021)

Documents

Tugas Perhitungan Neraca Massa & Panas Continuous Smelting